Организация генетического материала в клетке

1.

Немцова М.В.
Семинар 1 «Наследственность и ее
молекулярные основы. Передача
генетической информации в клетке.
Современные понятия об устройстве генома.
Реализация генетической информации.
Современные понятия о гене.»
Медицинская генетика
Фармация Курс 3 ЦИОП «Медицина
будущего»

2. Организация генетического материала в клетке

Ядро клетки
Хромосомы
Хроматин Последовательности ДНК

3. ДНК первичная структура

нуклеотид
нуклеиновая кислота

4. ДНК вторичная структура

Цепи ДНК антипараллельны
Цепи ДНК комплементарны

5.

ДНК
вторичная структура

6. РНК

-
РНК- полимер, состоящий из
нуклеотидов,
соединенных
фосфодиэфирными связями
РНК отличается от ДНК по
составу:
-содержит рибозу вместо
дезоксирибозы,
- содержит урацил вместо
тимина
Обычно это одноцепочечная
молекула
Существуют различные
классы РНК

7.

8.

9. Репликация ДНК

Репликация кольцевых молекул
-Репликация по типу «катящегося обруча»
-Тетта- репликация
Репликация линейных молекул

10. Репликация ДНК

11. Репликация ДНК

У эукариот
репликация
начинается с
нескольких сайтов
Во время
репликации
образуется
структура«репликационная
вилка»

12. Белки репликации ДНК

Хеликаза и топоизомераза
Связывающие белки
Праймаза
ДНК-полимеразы
(в клетках эукариот около 13 типов)
Лигаза

13.

14.

Хеликаза связывается с ориджином
репликации и разделяет цепи
Связывающие белки предохраняют
цепи ДНК от слипания
Праймаза синтезирует короткую РНК на
ДНК- матрице

15.

ДНК –полимераза добавляет нуклеотиды
к РНК-праймеру
ДНК-полимераза проверяет правильность
присоединения нуклеотидов

16.

По одной из цепей синтез идет
непрерывно, по другой –
прерывисто ( фрагменты Оказаки)

17.

РНК -праймеры удаляются, лигаза
сшивает бреши в ДНК

18. Репликация ДНК

Всегда полуконсервативна
Начинается с области, которая
называется ориджин
Синтез ДНК инициируется
фрагментами РНК, которые
называются праймерами
Элонгация всегда проходит в
направлении 5’-3’.
Репликация по лидирующей цепи
непрерывна, по отстающей цепипрерывиста
Синтезируемая цепь комплементарна
и антипараллельна своей матрице

19. Репликация в пробирке –ПЦР.

Репликация в пробирке –
ПЦР.

20.

21. РНК

-
РНК- полимер, состоящий из
нуклеотидов,
соединенных
фосфодиэфирными связями
РНК отличается от ДНК по
составу:
-содержит рибозу вместо
дезоксирибозы,
- содержит урацил вместо
тимина
Обычно это одноцепочечная
молекула
Существуют различные
классы РНК

22. Основные классы РНК

мРНК (матричная РНК)
рРНК (рибосомная РНК)
тРНК ( транспортная РНК)
микро РНК (регуляторные)

23. тРНК

24. рРНК

25. Транскрипция

Синтез РНК
молекул на
матрице ДНК
Первый этап
передачи
генетической
информации на
пути от ДНК к
белку (от
генотипа к
фенотипу)

26.

27.

Белки
Активаторы - белки, связывающиеся с энхансерами, которые
помогают РНК-полимеразе правильно начать транскрипцию.
Репрессоры - белки,которые связывают активаторы, чем снижают
или прекращают транскрипцию.
Транскрипционные факторы - помогают занять правильную позици
активаторам и РНК- полимеразе.
ДНК
Промотер (TATA box )- часть промотора, являющаяся сайтом
связывания для белковых факторов.
Энхансеры (англ. to enhance – усиливать) – это участки ДНК в 10-20 па
оснований, способные значительно усиливать экспрессию генов. В
отличие от промоторов они значительно удалены от
транскрипционного участка и могут располагаться от него в любом
направлении (к 5'-концу или к 3'-концу). Сами энхансеры не
кодируют какие-либо белки, но способны связываться с
регуляторными белками (подавляющими транскрипцию).
Сайленсеры (англ. silence – молчание) – участки ДНК, в принципе
схожие с энхансерами, но они способны замедлять транскрипцию
генов, связываясь с регуляторными белками (которые ее
активируют).

28. Этапы транскрипции

Инициация
Элонгация
Терминация

29. Инициация

Промотер – особая
последовательность
ДНК, определяющая
начало
транскрипции.
С промотором
связываются
факторы
транскрипции и
РНК-полимераза

30.

Процессивность - это способность фермента осуществлять
последовательность химических реакций, без высвобождения субстрата.
Процессивность полимераз выражается как среднее
количество нуклеотидов, присоединяемое ферментом за один акт
связывания/диссоциации с матрицей ДНК.

31.

32.

33.

Rho белок
• 419 амк
• гексамер
• АТФаза
• геликаза
• Ро связывается со специальными
сайтами на РНК: 40 н свободные от
шпилек, Ц-богатые
• Ро не связывается с транслируемым
участками
• Ро обычно осуществляет терминац
на конце генов
• Ро движется к 3’ концу РНК, смеща
с матричной цепи ДНК
• Весь комплекс разваливается

34.

35. Единица транскрипции = ген

36. Ген

Один ген- один фермент
Один ген- одна полипептидная цепь
Один ген- одна мРНК (один транскрипт)
Ген-участок ДНК или РНК ( у некоторых
вирусов), ассоциированный с
регуляторными последовательностями,
который определяет линейную
последовательность полипептидной
цепи или одной молекулы РНК

37. Ген (эукариоты)

Первый и последний экзоны содержат не
транслируемую последовательности
( соответственно 5’ –UTR и 3’-UTR)
Кодирующие участки- экзоны
Не кодирующие участки - интроны

38. Структура гена

Каждый
ген
характеризуется
рядом
специфических
регуляторных
последовательностей ДНК, которые принимают
участие в регулировании работы гена.
Регуляторные
последовательности
могут
находиться как в непосредственной близости от
гена, (промоторы) так и на расстоянии многих
миллионов пар оснований,
(энхансеры и
супрессоры)
Понятие
гена
не
ограничено
только
кодирующим участком ДНК, а представляет
собой
более
широкую
концепцию,
включающую
в
себя
и
регуляторные
последовательности.

39.

СТРУКТУРА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
Кодирующая часть ДНК – менее 10%
Гены кодирующие белки – 2 %
Гены кодирующие РНК – 20%
Некодирующая ДНК – уникальные
последовательности, фланкирующие структурные
гены, повторяющиеся последовательности,
транспозоны и ДНК, функция которой не
идентифицирована, интроны
Протеом человека составляет 250 000 белков
Подготовлен список 923 генов, вызывающих
моногенные наследственные заболевания или
повышающих вероятность развития заболевания
ДНК человека и шимпанзе идентичны на 99 %

40.

У человека 26000-30000 генов
Средняя длина гена 27000 п.н.
Такой усредненный ген содержит 9 экзонов, 8
интронов по 3400 п.н.
Самые короткие гены содержат приблизительно 20
п.н. (гены эндорфинов)
Самый большой ген – ген дистрофина – 2,4 млн п.н.
Получается, что в кодировании принимает участие
менее 1,5 % ДНК, т.е. 3 см из 2 м

41. Самые длинные гены человека

Ген
Размер гена
(Мб)
Размер мРНК
(Кб)
Белок/функция
CNTNAP2
2.30
9.9
Белок Caspr2
DMD
2,22
14,1
Дистрофин
LRP1B
1,90
16,5
Семейство
рецепторов
липопротеинов
CTNNA3
1,78
3,0
альфа-Катенин 3
A2BP1
1,69
2,3
Атаксин-2
связывающий белок
FHIT
1,50
1,1
Динуклеозид
трифосфат
гидролаза
GPC5
1,47
2,9
Глипикан 5
DLG2
1,47
7,7
Чапсин 110
GRID2
1,47
3,0
Рецептор глутамата
NRXN3
1,46
6,1
Нейрексин 3

42. Процессинг мРНК

Метилирование
и кэпирование
Полиаденилирование
Сплайсинг

43. Этапы процессинга пре - мРНК эукариот

Кэпирование модификация 5’конца
Полиаденилирован
ие - модификация
3’-конца
Сплайсинг удаление интронов
и соединение
экзонов

44. Процессинг

Вначале к пре-мРНК с 5'-конца
с помощью
нетипичной
пирофосфатной
связи
к
ней
присоединяется модифицированный
7-метилгуаниловый
нуклеотид,
это
компонент "колпачка" ("шапочки") мРНК. Этот
колпачок необходим для того чтобы защитить
нарождающуюся РНК от ферментов-экзонуклеаз,
отщепляющих концевые нуклеотиды от РНК.

45. Модификация 5’-конца – кэпирование

Кэп – это 7-метил-гуанозин соединенный в 5’-5’-ориентации
с первым нуклеотидом мРНК
Кэп присоединяется с помощью фермента гуанозил-7метилтрансферазы к первому 5’-трифосфату мРНК сразу
после транскрипции с помощью особой 5’ - 5’- связи

46.

Процессинг РНК
Процесс созревания РНК после их синтеза на ДНК –
матрице называется "процессингом". Он происходит
в ядре клетки у эукариот.
Составные части процессинга
• Удаление нуклеотидов. Результат: значительное
уменшение длины и массы исходной РНК.
• Присоединение нуклеотидов. Результат:
незначительное увеличение длины и массы
исходной РНК.
• Модификация (видоизменение) нуклеотидов.
Результат: появление в составе РНК редких
"экзотических" минорных ("меньших")
нуклеотидов.

47. Модификация 3’-конца – полиаденилирование

Последовательность м-РНК ААУААА
служит сигналом полиаденилирования
Специальная эндонуклеаза узнает эту
последовательность и отрезает 10-30
оснований от 3’-конца молекулы премРНК
Фермент поли(А)-полимераза добавляет
100 – 200 адениловых нуклеотидов к 3’концу мРНК, образуя поли(A) «хвост»

48. Полиаденилирование

После завершения
синтеза пре-мРНК к её
конечному участку со
стороны 3'-конца
приращиваются
адениловые
нуклеотиды, так что
получается
полиадениловый
«хвост» из примерно
200-250 Ануклеотидов.

49. Сплайсинг

Гены имеют мозаичную структуру и состоят из
кодирующих участков- экзонов и некодирующих
участков- интронов.
Сплайсинг. Это вырезание некодирующих
участков (интронных последовательностей) из премРНК и затем её сшивание. Вырезание
осуществляется ферментами эндонуклеазами, а
сшивание - лигазами. В результате получается
мРНК, состоящая только из экзонных
последовательностей нуклеотидов. Все пре-мРНК
подвергаются сплайсингу, кроме гистоновых.
В среднем после процессинга в зрелой мРНК
остаётся только 13% от длины пре-мРНК, а 87%
теряется.

50. Последовательности интронов, необходимые для сплайсинга 5'- GU и 3'- AG

Последовательности интронов,
необходимые для сплайсинга 5'- GU и 3'AG
На границе экзон-интрон находятся последовательности GU – AG
Для вырезания интронов также необходим сайт ветвления – А

51. Сплайсинг ядерной мРНК происходит в сплайсосоме

Сплайсосома - специальная ядерная структура,
в которой происходит сплайсинг
В состав сплайсосомы входят мяРНК (U1, U2, U4,
U5 и U6) 145 молекул белков

52. Альтернативный сплайсинг

Соединение РНК участков
кодирующих экзоны в разных
комбинациях с образованием
различных зрелых мРНК
Способствует увеличению белкового
разнообразия
Является одним их механизмов
определяющих тканеспецифическую
экспрессию генов

53.

Р1
Экзон 1
Интрон 1
Р2
Экзон 2
Интрон 2
Экзон 3
Интрон 3
Экзон 4
1. Схема фрагмента гена, содержащего 2 промотора, 4 экзона и
3 интрона.
Экзон 1
Экзон 3
Экзон 4
2. Фрагмент мРНК после сплайсинга (выбор промотора Р1)
Экзон 2
Экзон 3
Экзон 4
3. Фрагмент мРНК после сплайсинга (выбор промотора Р2)
Направление транскрипции -

54. Трансляция

Передача
генетической
информации с
мРНК на белок
Заключительный
этап передачи
генетической
информации на
пути от ДНК к
белку (от генотипа
к фенотипу)

55. Белки и аминокислоты

Все белки
состоят из
аминокислот
20 основных
аминокислот в
белках

56. Генетический код

Триплет нуклеотидов, который
осуществляет соответствие между
нуклеиновой кислотой и аминокислотой

57. Генетический код

Триплетный - одной
аминокислоте соответствует
три нуклеотида
Вырожденный определенной аминокислоте
соответствует более чем один
кодон
Не перекрывающийся один нуклеотид входит в
состав только одного кодона
Число
кодонов =64
Число
аминокислот
= 20
Универсальный у всех
живых организмов
одинаковые АК кодируются
одинаковыми кодонам

58.

59. тРНК

60.

61. Трансляция

Биосинтез белка происходит на рибосомах

62.

63.

64. Инициация трансляции

AUG - единственный
инициирующий кодон
эукариотических мРНК
Инициаторная тРНК ,
узнающая кодон инициации
AUG, это специальная тРНК ,
имеющая особенности
строения, отличающие ее от
тРНК мет
Биосинтез белка начинается
с образования комплекса
между малой субединицей
рибосом, инициирующей
тРНК и участком
транслируемой мРНК,
содержащим сайт
связывания рибосом,
который включает в себя
инициирующий (как
правило, AUG) кодон

65.

66.

Терминация трансляции у эукариот

67.

Геном человека 3.2 биллионов пар
нуклеотидов
22-25,000 генов
1.5% кодирует белки
Клетки человека производят
100,000 до 200,000 различных
белков.

68. Спасибо за внимание!